ΙΑΤΡΙΚΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΑΘΗΝΩΝ (ΕΚΠΑ) ΚΑΤΑΤΑΚΤΗΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΑΚ.ΕΤΟΥΣ ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ: ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ

Transcript

1 ΙΑΤΡΙΚΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΑΘΗΝΩΝ (ΕΚΠΑ) ΚΑΤΑΤΑΚΤΗΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΑΚ.ΕΤΟΥΣ ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ: ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΘΕΜΑ 1ο Τυπική καμπύλη δόσης επιβίωσης για καρκινικά και υγιή κύτταρα μετά από ακτινοβόληση: ακτινοβολιών, 2 η έκδοση (επίτομο), σελ. 507, Σχήμα 1 ή ακτινοβολιών, 1 η έκδοση (δίτομο), 2 ος τόμος, σελ. 415, Σχήμα 1 Οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η μορφή της καμπύλης δόσης επιβίωσης για καρκινικά και υγιή κύτταρα μετά από ακτινοβόληση είναι οι ακόλουθοι: 1. Υπάρχει ένα κατώφλι δόσης για τη θανάτωση των κυττάρων. Το κατώφλι δόσης για τα υγιή κύτταρα είναι γενικά μεγαλύτερο από εκείνο των καρκινικών. 2. Το κλάσμα των κυττάρων που θανατώνονται αυξάνει με την αύξηση της δόσης. 3. Υπάρχει μια δόση στην οποία θανατώνονται το 100% των κυττάρων και επομένως δεν υπάρχει αποτέλεσμα από την περαιτέρω αύξηση της δόσης. Αυτή η δόση για τα υγιή κύτταρα είναι μεγαλύτερη από εκείνη των καρκινικών. Το αποτέλεσμα των ανωτέρω είναι η δημιουργία δύο χαρακτηριστικών σιγμοειδών καμπυλών, μιας για τα καρκινικά κύτταρα και μιας για τα υγιή, με τη σιγμοειδή καμπύλη για τα υγιή δεξιά από τη σιγμοειδή καμπύλη για τα καρκινικά. Προφανώς, η ακριβής μορφή των δύο σιγμοειδών καμπυλών, για παράδειγμα το πόσο κοντά βρίσκονται μεταξύ τους, εξαρτάται από τα ακόλουθα: 1. Της τιμή του κατωφλίου δόσης για τα καρκινικά και υγιή κύτταρα, αντίστοιχα. 2. Το ρυθμό αύξησης της θανάτωσης των καρκινικών και υγιών κυττάρων με την αύξηση της δόσης για τα καρκινικά και υγιή κύτταρα, αντίστοιχα. 3. Την τιμή της δόσης στην οποία θανατώνεται το 100% των κυττάρων για τα καρκινικά και υγιή κύτταρα, αντίστοιχα.

2 Ο στόχος μίας ακτινοθεραπευτικής εφαρμογής είναι: 1. Η εναπόθεση της μέγιστης δυνατής δόσης στον όγκο-στόχο με σκοπό το θάνατο των καρκινικών κυττάρων και τον τοπικό έλεγχο της νόσου. 2. Η ταυτόχρονη μείωση της δόσης στους υγιείς ιστούς ώστε να μειωθεί η πιθανότητα επιπλοκών. Αυτό επιτυγχάνεται με τους ακόλουθους τρόπους: 1. Κλασματοποίηση της δόσης. Με την τεχνική αυτή αυξάνεται η συνολικά εναποτιθέμενη δόση αλλά διαμοιράζεται σε ένα αριθμό συνεδριών (~ 30). Έτσι ενώ στους υγιείς ιστούς δίνεται η δυνατότητα να υπερκαλύψουν τις όποιες ακτινοπροκλητές βλάβες ανάμεσα σε δύο συνεδρίες, η συνολικά μεγαλύτερη εναποτιθέμενη δόση στον όγκο-στόχο οδηγεί σε καλύτερο τοπικό έλεγχο της νόσου. 2. Στερεοτακτικές τεχνικές. Σε εξελιγμένες τεχνικές ακτινοθεραπείας και για μικρούς σε όγκο στόχους, για την προστασία των υγιών ιστών εφαρμόζεται, αντί για την κλασματοποίηση, η χρήση πολύ μικρών πεδίων και η πλήρης «συμμόρφωση» της δόσης ακτινοβολία με το περίγραμμα του όγκου-στόχου, ώστε να επιτυγχάνεται η κατά το δυνατόν μεγαλύτερη επιλεκτική ακτινοβόλησή του και η δόση ακτινοβολίας δίνεται σε μία ή σε πολύ μικρό αριθμό συνεδριών. 3. Άλλες τεχνικές ακτινοθεραπείας: Ισοκεντρική θεραπεία πολλαπλών πεδίων ακτινοβολίας, σύμμορφη τρισδιάστατη ακτινοθεραπεία, ακτινοθεραπεία με χρήση πεδίων ακτινοβολίας διαμορφωμένης έντασης, ακτινοθεραπεία με πρωτόνια.

3 ΘΕΜΑ 2ο Οι διαφορές μεταξύ αξονικής τομογραφίας και κλασικής ακτινογραφίας είναι οι ακόλουθες: 1. Η κλασική ακτινογραφία είναι μια προβολική τεχνική απεικόνισης, ενώ η αξονική τομογραφία βασίζεται στην ανακατασκευή της εσωτερικής μορφολογίας διαφόρων οργάνων του ανθρωπίνου σώματος από τη σύνθεση πολλαπλών προβολών τους. Το αποτέλεσμα είναι ότι στην κλασική ακτινογραφία απεικονίζεται η κατανομή της έντασης της ακτινοβολίας που διέρχεται από ένα τμήμα του ασθενούς, ενώ στην αξονική τομογραφία υπολογίζεται ο συντελεστής εξασθένισης κάθε στοιχείου μιας τομής του ασθενούς και μάλιστα με εξαιρετική ακρίβεια. 2. Η αξονική τομογραφία διακρίνεται από υψηλή αντίθεση εικόνας συγκρινόμενη με την κλασική ακτινογραφία. 3. Με την τεχνική της αξονικής τομογραφίας διακρίνονται εύκολα μικρές διαφορές πυκνότητας, σε αντίθεση με την κλασική ακτινογραφία. Η CT έχει την ικανότητα να ανιχνεύει διαφορές πυκνότητας της τάξης του 0,5%, ενώ στην κλασική ακτινογραφία μία διαφορά της τάξης του 5% γίνεται μετά βίας αισθητή. Άρα, η τεχνική της αξονικής τομογραφίας είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για απεικονίσεις μαλακών ιστών. Αυτό συμβαίνει αν και η αξονική τομογραφία χρησιμοποιεί υψηλή τάση της τάξης των kvp, δηλαδή ίδια ή υψηλότερη της κλασικής ακτινογραφίας, λόγω ακριβώς των διαφορετικών τεχνικών απεικόνισης που χρησιμοποιούνται στην αξονική τομογραφία και στην κλασική ακτινογραφία, όπως προαναφέρθηκε. Για παράδειγμα, επειδή η αξονική τομογραφία δεν είναι προβολική τεχνική απεικόνισης όπως η κλασική ακτινογράφηση, στην αξονική τομογραφία αποφεύγεται η «απόκρυψη» μικρών διαφορών στην ένταση της διερχόμενης ακτινοβολίας λόγω της υπέρθεσης της εξασθένισης όλων των υπερκείμενων και παρακείμενων ανατομικών δομών, πρόβλημα ιδιαίτερα έντονο στη συμβατική ακτινοδιαγνωστική (θόρυβος δομής). Επιπρόσθετα, στην κλασική ακτινογράφηση ο ανιχνευτής που χρησιμοποιείται για το σχηματισμό εικόνας (φιλμ) δεν έχει τη δυνατότητα ανίχνευσης πολύ μικρών διαφορών στην ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, γεγονός που επιδεινώνεται λόγω της επίδρασης της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας που είναι σημαντικότερη στην κλασική ακτινογράφηση γιατί σε αυτή χρησιμοποιούνται μεγαλύτερα πεδία ακτινοβολίας. 4. Η κλασική ακτινογραφία χαρακτηρίζεται από βέλτιστη χωρική διακριτική ικανότητα, ικανότητα δηλαδή να απεικονίσει ως διαφορετικές δύο παρακείμενες δομές με υψηλή αντίθεση από το γύρω υπόβαθρο. Αυτό οφείλεται στο ότι η διάσταση του ανιχνευτή στην κλασική ακτινογράφηση, δηλαδή του κόκκου του ακτινογραφικού φιλμ, δίνεται από τη διάμετρο του κόκκου AgBr του φιλμ της τάξεως του 1 μm, ενώ οι διαστάσεις του κάθε ανιχνευτή στην αξονική τομογραφία είναι πολύ μεγαλύτερες. 5.Η δόση ακτινοβολίας στη περιοχή που ακτινοβολείται στην αξονική τομογραφία είναι αρκετά υψηλή συγκρινόμενη με την κλασική ακτινογραφία. Οι τυπικές τιμές δόσης από εξετάσεις αξονικής τομογραφίας είναι περίπου 50 mgy, ενώ για μία ακτινογραφία θώρακα είναι περίπου 0,1 mgy.

4 ΘΕΜΑ 3ο Αναπνεόμενος όγκος σε κατάσταση ηρεμίας καλείται ο όγκος του αέρα που εισπνέουμε κατά τη διάρκεια μιας φυσιολογικής αναπνοής όταν βρισκόμαστε σε κατάσταση ηρεμίας. Εισπνευστικός εφεδρικός όγκος καλείται ο επιπρόσθετος όγκος αέρα που εισπνέουμε καταβάλλοντας περισσότερη προσπάθεια μετά το τέλος μιας ήρεμης φυσιολογικής εισπνοής. Υπολειπόμενη Λειτουργική Χωρητικότητα καλείται ο όγκος του αέρα που παραμένει στους πνεύμονες μετά από μία ήρεμη φυσιολογική εκπνοή. Εκπνευστικός εφεδρικός όγκος καλείται ο επιπρόσθετος όγκος αέρα που εκπνέεται από τους πνεύμονες καταβάλλοντας περισσότερη προσπάθεια μετά το τέλος μιας ήρεμης φυσιολογικής εκπνοής. Ζωτική χωρητικότητα καλείται ο όγκος του αέρα που εκπνέεται αν ένα άτομο εισπνεύσει όσο βαθύτερα γίνεται και μετά εκπνεύσει όσο περισσότερο γίνεται. Υπολειπόμενος όγκος καλείται ο όγκος του αέρα που περιέχουν οι πνεύμονες αφού ένα άτομο εισπνεύσει όσο βαθύτερα γίνεται και μετά εκπνεύσει όσο περισσότερο γίνεται. Αντίστοιχο γράφημα που παράγεται από το σπειρόμετρο: Cameron, Skofronick, Grant, Φυσική του ανθρωπίνου σώματος, σελ. 160, Εικόνα 7.8

5 ΘΕΜΑ 4ο Σύμφωνα με το πυρηνικό μοντέλο της υγρής σταγόνας, οι δυνάμεις που συμμετέχουν στο ισοζύγιο που καθορίζει το βαθμό της πυρηνικής σταθερότητας, δηλαδή οι ενεργειακές συνεισφορές στην ενέργεια σύνδεσης ενός πυρήνα όπως παρουσιάζονται στην ημι-εμπειρική σχέση του Weizsacker για την ποσοτική ερμηνεία της ενέργειας σύνδεσης των πυρήνων, είναι οι εξής: A 1. Η ενέργεια όγκου, δηλαδή η σταθερή ενέργεια ανά νουκλεόνιο λόγω της έλξης μεταξύ των νουκλεονίων. Η συνεισφορά της ενέργειας όγκου στην ενέργεια σύνδεσης του πυρήνα έχει θετικό πρόσημο και είναι ανάλογη του όγκου του πυρήνα, δηλαδή ανάλογη του μαζικού αριθμού (). 2/3 A 2. Η μείωση της ενέργειας όγκου λόγω των νουκλεονίων που βρίσκονται στην επιφάνεια του πυρήνα οπότε δεν περιβάλλονται από γειτονικά νουκλεόνια. Αυτή η συνεισφορά στην ενέργεια σύνδεσης έχει αρνητικό πρόσημο και είναι ανάλογη του εμβαδού της επιφάνειας του πυρήνα, δηλαδή ανάλογη του. 1/3 A 3. Η ηλεκτροστατική δυναμική ενέργεια λόγω της απωστικής δύναμης Coulomb μεταξύ των πρωτονίων του πυρήνα, που πρέπει να αφαιρεθεί από την ενέργεια σύνδεσης. Αυτή η συνεισφορά στην ενέργεια σύνδεσης έχει αρνητικό πρόσημο και είναι αντιστρόφως ανάλογη του. 2 ( A 2 Z) Z 2Z2 A = A NZ 4. Η ενέργεια ασυμμετρίας που πηγάζει από την απαγορευτική αρχή του Pauli αφού και τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι φερμιόνια. Αφού δεν μπορούν να έχουν τους ίδιους κβαντικούς αριθμούς, μόνο δύο νουκλεόνια (πρωτόνια ή νετρόνια) καταλαμβάνουν την ίδια ενεργειακή στάθμη έχοντας αντίθετο spin. Για δεδομένο, η κατώτερη ενεργειακή κατάσταση επιτυγχάνεται όταν, οπότε τα νουκλεόνια καταλαμβάνουν τις κατώτερες ενεργειακές στάθμες (οι οποίες είναι διαφορετικές για τα πρωτόνια και τα νετρόνια αφού και τα δύο είδη νουκλεονίων δέχονται διαφορετικές δυνάμεις και άρα υπόκεινται σε διαφορετικό πυρηνικό δυναμικό). Προκειμένου για βαρύτερους πυρήνες ένα πλεόνασμα νετρονίων είναι απαραίτητο ώστε να περιοριστεί η ενέργεια Coulomb η οποία αυξάνει ταχύτερα από την ενέργεια όγκου. Έτσι τα πλεονάζοντα νετρόνια θα καταλαμβάνουν υψηλότερες ενεργειακές στάθμες λόγω της απαγορευτικής αρχής και θα είναι χαλαρότερα συνδεδεμένα. Έτσι σταθερότερος πυρήνας για δεδομένο θα είναι αυτός με το μικρότερο πλεόνασμα νετρονίων. Αυτή η συνεισφορά στην ενέργεια σύνδεσης έχει αρνητικό πρόσημο και είναι ανάλογη του. αaznznzn 3/4 Pairing δ δ A 5. Η ενέργεια «ζευγαρώματος», η οποία αν και εμπειρική όσον αφορά την εξάρτησή της από το, πηγάζει επίσης από την απαγορευτική αρχή του Pauli. Οι σταθερότεροι πυρήνες είναι αυτοί με ίσο αριθμό νουκλεονίων με αντίθετο spin, δηλαδή αυτοί για τους οποίους όλα τα πρωτόνια και τα

6 νετρόνια αποτελούν ζεύγη ή ισοδύναμα πυρήνες με (,) άρτιο-άρτιο. Πυρήνες με (,) άρτιο-περιττό ή περιττό-άρτιο είναι λιγότερο σταθεροί και πυρήνες με (,) περιττό-περιττό είναι οι λιγότερο σταθεροί όλων. Αυτή η συνεισφορά στην ενέργεια σύνδεσης είναι με τη σταθερά να λαμβάνει τις τιμές -1, 1,0 για άρτιους-άρτιους πυρήνες, περιττούς-περιττούς πυρήνες και άρτιους-περιττούς πυρήνες, αντίστοιχα. NZANZ 6. Η τελευταία συνεισφορά δεν είναι παρά ο σταθερός όρος της προσαρμογής της εξίσωσης στα πειραματικά δεδομένα για τη μάζα των νουκλιδίων. Η τιμή αυτού του όρου παρουσιάζει μέγιστα για συγκεκριμένα και ανεξάρτητα του. Οι τιμές του και του για τις οποίες παρουσιάζονται μέγιστα αυτού του όρου ονομάζονται «μαγικοί αριθμοί». Ένα πυρηνικό μοντέλο που προσπαθεί να τους προβλέψει είναι το μοντέλο των φλοιών ή ανεξάρτητων σωματιδίων. BA Πρόχειρη γραφική παράσταση της ενέργειας σύνδεσης ανά νουκλεόνιο (/) συναρτήσει του : ακτινοβολιών, 2 η έκδοση (επίτομο), σελ. 31, Σχήμα 13 ή ακτινοβολιών, 1 η έκδοση (δίτομο), 1 ος τόμος, σελ. 31, Σχήμα 13 BA Η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο (/) αυξάνει με το μαζικό αριθμό για ελαφρείς πυρήνες και φτάνει σε μέγιστο για νουκλίδια με μεταξύ 56 και 62. Πέραν αυτής της περιοχής η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο μειώνεται.